GhGLDH35A基因通过抗坏血酸途径调控ROS稳态与气孔运动增强棉花耐碱性的机制研究

本研究针对碱性胁迫严重制约棉花生长的关键问题，通过系统解析L-半乳糖-1,4-内酯脱氢酶(GLDH)基因家族进化特征，发现线粒体定位的GhGLDH35A通过提升抗坏血酸(AsA)含量、增强抗氧化酶活性维持活性氧(ROS)稳态，同时调控气孔关闭以减轻碱胁迫损伤。该研究为作物耐碱育种提供了新靶点，成果发表于《Journal of Advanced Research》。

　　

在全球气候变化和化肥过度使用背景下，盐碱土壤面积正以每年1.5%的速度扩张，其中60%盐渍化土壤呈现碱性特征。与普通盐胁迫(NaCl/Na₂SO₄)相比，碱性胁迫(Na₂CO₃/NaHCO₃)因叠加高pH伤害，会导致更严重的离子毒害、氧化应激和光合抑制。作为盐碱地先锋作物，棉花在幼苗期遭遇碱性胁迫时会出现根系褐变、叶脉红化等典型症状，但相关分子机制尚不明确。

中国农业科学院棉花研究所的研究团队通过多组学联用策略，系统解析了棉花L-半乳糖-1,4-内酯脱氢酶(GLDH)基因家族在碱胁迫中的调控网络。研究发现GhGLDH35A通过线粒体定位的AsA合成途径增强抗氧化防御，同时调控气孔运动以维持光合效率，相关成果发表在《Journal of Advanced Research》。研究采用生物信息学分析构建GLDH家族进化树，通过病毒诱导基因沉默(VIGS)和拟南芥异源表达验证基因功能，结合酵母互补实验、亚细胞定位和生理指标测定等技术手段。

GLDH基因家族的系统进化分析
研究团队在四倍体棉花中鉴定到86个GLDH同源基因，通过NJ树和ML树分析将其分为3个亚家族。共线性分析显示全基因组复制(WGD)是主要扩张方式，Ka/Ks值表明该家族经历强烈纯化选择。启动子顺式元件分析发现多数GhGLDH含有光响应元件，qRT-PCR证实GhGLDH35A等基因表达受光诱导。

碱性胁迫对棉花的生理影响
比较100 mM Na⁺当量的不同盐处理发现，50 mM Na₂CO₃使棉花根长抑制率达89.04%，显著高于NaCl处理(50.89%)。三叶期胁迫实验显示碱性胁迫导致叶片MDA含量升高42.6%，叶绿素a降低54.5%，证实碱性胁迫比盐胁迫更具破坏性。

GhGLDH35A的功能验证
亚细胞定位显示GhGLDH35A定位于线粒体，与AsA合成终末步骤的场所一致。VIGS沉默该基因使棉花AsA含量降低38.1%，ROS积累增加2.3倍，气孔开度增大45.7%。拟南芥过表达株系在200 mM NaHCO₃胁迫下生物量提高31.5%，APX和DHAR酶活性分别增强1.8倍和2.1倍。外源H₂O₂处理能模拟碱胁迫的气孔关闭效应，证实ROS是调控气孔运动的关键信号。

该研究首次阐明GhGLDH35A通过"线粒体AsA合成-ROS稳态-气孔调控"三位一体的分子机制赋予棉花耐碱性。其创新性体现在：发现GLDH在碱胁迫中的新功能，解析光调控表达特性，揭示AsA与气孔运动的偶联机制。研究为利用基因编辑靶向改良作物耐盐碱性提供了理论依据，对保障边际土地利用和粮食安全具有重要意义。未来可进一步探究GhGLDH35A与呼吸链复合体I(RCI)的互作关系，以及其在叶绿体ROS信号转导中的跨界调控作用。